专利名称：利用激光束对工件进行同步外周加工的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用激光束对工件进行外周加工的装置，正如其依据分类由US 7，368，681B2所公开的那样。
背景技术：
对于外周加工而言借助依据本发明的装置尤其适用于具有呈棱柱形或呈柱体形周面的工件。在此，工件应该被理解为单个构件，但也被理解为由两个彼此交错接合的构件所组成的组件。外周加工可以例如是两个塑料构件的焊接、薄膜软管缩套到玻璃纤维上或覆层在构件上的硬化。依据分类的装置在现有技术中尤其是与焊接方法相结合。在此，轮廓焊接与同步焊接之间存在区别。在轮廓焊接时，一个或多个激光束和待焊接工件相对彼此运动， 从而一个或多个激光束沿所希望的焊缝抹过工件周面。在同步焊接时，同时以一个或多个激光束加载整个焊缝。在us 7，368，681B2中公开了这种装置。该装置包括大量的激光束源，这些激光束源以彼此相同的间距布置在一条环线上并径向地朝环线的中点分别发射激光束，在该中点这些激光束叠加并形成恒定能量密度的加工区。可以是二极管激光器(激光二极管或激光二极管线阵(Laserdiodenbarren))的激光源可分别在波束方向上前置射束成形光学系统，利用该射束成型光学系统影响激光束的发散度。在此，经由在环线平面中的发散度，结合环线半径，可以使恒定能量密度的加工区尺寸匹配于为了加工而装入到该加工区中的工件尺寸。垂直于环线平面的射束扩张决定了焊缝宽度。因为在激光束中的能量分布原则上对应于高斯分布，所以能量分布的均勻性随着彼此偏移的、叠加的激光束的增加的数量而得到改善。不利的是，利用非常大量的激光束源才能达到在环线平面中的近似恒定的能量密度，该环线平面中的能量密度决定了焊缝长度上的焊缝质量。决定焊缝宽度上的焊缝质量的、垂直于所述平面的能量分布仍保持高斯分布。此外，这种装置需要附加措施来保证激光器安全性，也就是说，这些措施确保在装置工作期间人和机器均不会暴露在被激光束损伤的危险中。
发明内容
本发明的任务基于，提供一种激光器安全装置，利用该装置，在加工区域中以能量均勻分布的激光束加载装入到该装置中的工件周面。提出一种利用激光束对工件进行同步外周加工、具有大量的由二极管激光器和前置的射束成形光学系统组成的激光器-光学系统-模块的装置，这些激光器-光学系统-模块彼此以相同的间距布置在环线上并径向朝环线的中点分别发射处在共同的波束平面中的激光束，从而使激光束的激光束轴线在中点相交。本发明的任务通过这种装置以如下方式得以实现，即，在环线的内部布置专门构造的波导。波导具有直柱体的形状并以如下方式设置，S卩，使该波导的柱体轴线垂直于波束平面直立地穿过环线的中点延伸。围绕柱体轴线构造用于容纳待加工工件的凹座。该凹座可以以如下方式构造，即，使该凹座以其形状和尺寸匹配待容纳的工件，从而可以直接将工件插入到凹座中，或者该凹座以如下尺寸构造，即，在该凹座中可以装入不同的适配器，这些适配器以不同的呈柱体形的内面围成与不同工件匹配的自由内部区域，从而使具有不同周面的工件可以间接经由适配器装入到凹座中。波导由下部和上部组成。二者共同围出一个含有波束平面的内腔。该内腔居中地通过凹座敞开，从而可以将插入到凹座中的工件至少部分地布置在内腔中。波导的下部形成内腔的底面并且波导的上部形成顶面。这两个面对于激光束而言进行反射。在波导的外周上，内腔具有如存在的激光器-光学系统-模块数量的相同数量的射束入口。这些射束入口分别与一个激光器-光学系统-模块对置并且具有如下的尺寸，即，这些射束入口不限制入射的激光束。通过激光入射窗入射的激光束在底面与顶面之间多重来回地反射，由此，使能量分布在射束截面上均勻化。相反的，激光束在波束平面的内部保持不受影响。因此，在工件上每个激光器-光学系统-模块形成一个具有均勻能量分布的射束光斑，该射束光斑在柱体轴线方向上的高度通过底面与顶面之间的间距确定，并且该射束光斑的宽度通过在波束平面中和在激光器-光学系统-模块与工件表面的间距中激光束的发散角确定。凹座可以要么仅穿过上部，因此，所装入的工件平放在下部上并且用激光束加载邻接于工件的一端的工件外周区，例如用于形成焊缝。凹座也可以部分延伸到下部中，因此，用激光束加载的工件外周区，是从距工件一端等于凹座延伸到下部中的深度的距离处开始的。凹座也可以完全穿过下部，从而可以将工件在柱体轴线方向上引导穿过装置。这一点在如下情况下可能是需要的，即，例如当工件应该在其整个周面上用激光束来加载，以便例如硬化该工件表面，或者工件是如光导纤维那样的无尽件，且应该将例如塑料外皮缩套到该光导纤维上。有利地可以将对于激光束而言透明的套管装入到适配器中，该套管界定了自由内部区域，因此，避免了内腔的污染。于是，内腔通过套管虽然是机械地封闭的，但光学上看， 对激光束的通过是开放的。底面与顶面之间的间距可以要么在整个内腔上是恒定的，要么有利地从波导的外周朝凹座去地变小，因此，可以根据增加数量的不同反射而改善射束光斑的质量。待加工工件的待加工外周越大，激光器-光学系统-模块的数量有利的越多。有利的是奇数，因此，激光器-光学系统-模块可以不镜面对称地对置，并避免激光器-光学系统-模块的直接对面照射和因此造成的二极管激光器损坏。为了可以利用尤其是在波束平面内部分别发射预先规定发散度的激光束的相同数量的相同激光器-光学系统-模块来加工带有不同大小外周的工件，在波束平面中的因此产生的射束光斑宽度必须可以改变。为了达到这一点，必须距柱体轴线不同间距进而距工件不同间距地布置激光器-光学系统-模块。为此目的，激光器-光学系统-模块与射束通过口之间可以布置加长模块。这些加长模块以如下方式构成，即，这些加长模块分别在激光束轴线方向上加长了内腔。有利地通过数个相同加长模块，调整出所希望的间距并根据工件尺寸优化调整射束光斑宽度。波导的底面可以是一个圆，但有利的是具有与围绕波导布置的激光器-光学系统-模块相等边数的等边多角形。多角形在这里最广泛的意义上也被理解为具有相同边长的面，其中通过彼此相遇的侧棱形成的角是倒圆的。因为这些角本身不具有功能，而是仅将侧棱放到激光器-光学系统-模块或加长模块上，所以可以呈角形地或倒圆地构造这些角。有利地将波导、加长模块和激光器-光学系统-模块安装在一个共同的底板上，该底板用于单个构件的可能的生产公差和装配公差的参考基础。为了实现将该装置的快速匹配于不同工件的加工，有利的是，在底板中已经设置有大量的螺纹孔，通过这些螺纹孔可以有选择地安装不同数量的加长模块。同样有利的是，在波导的内腔中设置有红外线传感器，以便可以测量凹座中的温度。温度测量可以仅用于过程监测或也可以用于调节过程参数、如二极管激光器的功率或接通持续时间。
根据附图在下文中示例性地对该装置进行详细阐释。其中图1示出装置的第一实施例；图2示出依据图1的装置剖面图；图3示出依据第三实施例可变化地构成的装置。
具体实施例方式图1中示出了依据本发明的装置的第一实施例。该装置包括平面的、硬的底板12， 在该底板上在围绕波导3的环线2上以彼此相同的间距并朝向环线2的中点2. 1定向布置三个激光器-光学系统-模块1，从而由激光器-光学系统-模块1发射的激光束的激光束轴线1. 1处在共同的波束平面中并在中点2. 1相交。其中点与环线的中点2. 1叠合的波导3居中地具有里面可以插入待加工工件的凹座4，从而可以通过激光束加载待加工工件的周面。为了加工具有越来越大的外周的工件，取代三个激光器-光学系统-模块1，可以以相同方式布置越来越多的激光器-光学系统-模块1。激光器-光学系统-模块1分别由常见的二极管激光器和射束成形光学系统组成。二极管激光器包括激光二极管，或优选激光二极管线阵和准直光学系统 (Kollimationsoptik)，该准直光学系统照准在所谓快轴方向上强发散的、由二极管激光器发射的激光束，并使激光束在与该快轴方向垂直的所谓慢轴方向上不受影响，在该慢轴方向中激光束仅略微发散。二极管激光器布置在激光器-光学系统-模块1的内部，从而在将激光器模块安装在底板12上时以如下方式发射激光束，即，使激光束的慢轴处在传播平面中。将有利地为平凸-柱面透镜的射束成形光学系统以如下方式设计，即，使该射束成型光学系统在快轴方向上以如下强度扩散激光束，即，使激光束进入到波导3中之后不久就击中底面5. 1和顶面6. 1。对于该装置的预定功能来说重要的是，指向定位在装置中心的工件的激光束在慢轴方向上保持不受影响并且在快轴方向上首先在大量的反射之后才击中工件表面。通过在快轴方向上的多重反射，均勻化了形成在工件表面上的射束光斑(Strahfleck)内的能量分布，因此通过射束光斑产生到工件中的均勻的热量输入。接下来，将在快轴方向上的射束光斑的扩张表示为射束光斑高度并且将在慢轴方向上的扩张表示为射束光斑宽度。通过由二极管激光器数量的作用实现的多个射束光斑的彼此贴靠串联，同时在工件的整个外周上用激光束加载与射束光斑高度相同的外周区域。射束光斑高度通过装置的几何尺寸，尤其是随后所描述的波导3内部的内腔7的空间高度确定。波导3具有直柱体的形状，由下部5和上部6组成，在下部和上部之间构造了内腔 7，激光束穿过该内腔到达工件。在快轴方向上，在内腔7的通过上部6所形成的顶面6. 1 与内腔7的通过底部5所形成的底面5. 1之间来回反射激光束。在这里，为了具有尽可能小的能量损失，底面5. 1和顶面6. 1以及部分连接顶面6. 1和底面5. 1的侧面16是高镜面化(hochverspiegelt)的。在图1中通过虚线举例示出侧面16的走向。侧面16的走向以如下方式选择，即，使这些侧面至少在朝工件的直接行程上不影响激光束，也就是说，它们不限制这些激光束。同时这些侧面确保入射到波导3中的激光束不再离开波导3。部分从工件旁经过的击中侧面16的激光束被反射回工件或某个另外的侧面16。侧面16分别在波导3的周面上的射束入口 8处结束。射束入口 8在图2中的剖面图内可见。波导3的底面在依据如图1和图2中所示的第一实施例的装置中，是具有强倒圆角的三角形，这些角彼此围出平面，并与它们相对地分别设置有一个激光器-光学系统-模块1。依据图1，将这些激光器-光学系统-模块1与波导3分别经由一个覆盖罩 (Abdeckkappe) 15连接，这一点在这里为两个激光器-光学系统-模块1示出。在第三激光器-光学系统-模块1处放弃显示覆盖罩15，以便示出，在其设置有射束入口 8的波导 3的周面与激光器-光学系统-模块1的射束出射窗之间可以是空隙。正如已经阐释的那样，激光束应在慢轴方向上保持不受影响。为了在取决于工件的外周尺寸和激光器-光学系统-模块1数量的情况下形成具有一定射束光斑宽度的射束光斑(其彼此贴靠串联引发外周上完全的激光束加载)，激光束在慢轴方向上预先规定的发散度下，必须以距工件外周的确定间距来布置。通过其周面上可以直接安置激光器-光学系统-模块1的波导3的几何尺寸来给定可能的最小间距。如图1所示，可以扩大该间距，其中，将激光器-光学系统-模块1以距波导3有空隙的方式定位。激光器-光学系统-模块1的出射窗与波导3 的射束入射窗之间的这样的空隙然后要么如图1所示，通过覆盖罩15覆盖，要么如示出了第二实施例的图3所示，通过一定数量的加长模块11连接。覆盖罩15和加长模块11可以以如下方式确定几何尺寸，即，使它们如波导3那样满足相同的功能，也就是说，在慢轴方向上由覆盖罩和加长模块封闭的空间具有如下的尺寸，即，使激光束不击中侧面16。相反在快轴方向上，被封闭空间的高度等于波导3的内腔7的高度，从而已经在这里通过多重反射导入了均勻化过程。图2示出了依据第一实施例的装置的剖面图。可以识别出，波导3的围绕柱体轴线3. 1的凹座4仅穿过上部6。由此，插入到凹座4内的工件支撑在下部5上，并且周面的被加工区域邻近工件的一端。为了将内腔7至少在与射束入口 8对置处对于激光束可靠地封闭，在相对于底面5. 1和顶面6. 1在相同方向上偏移的平面中设置有接触面17，在该接触面上下部5和上部6彼此紧贴。凹座4在第一实施例中为圆柱体进而适用于至少在应该利用激光束加工的工件区域中同样呈柱体形构造以便可以将工件插入到凹座4中的工件。工件与凹座4之间仅很小的游隙是有利的，由此清晰地界定了在工件的被加工的外周上的区域。尤其当加工过程是焊接时，因此产生清楚界定的焊缝。
图3所示的第二实施例尤其通过波导3的等边五角形的底面，由五个激光器-光学系统-模块1在数量方面的优化与第一实施例区别开。在这里，有利地插入适配器9到凹座4中，在这里设计的凹座4不用于直接容纳工件。这样做的优点是，通过应用取决于工件外周尺寸和外周形状的各个适用的适配器9，可以使装置匹配不同的工件。该装置理想地用于加工具有呈圆柱形的周面的工件，但同样也适用于呈棱柱形的周面。有利地通过对激光束透明的套管(HUlse) 10界定适配器9内的自由区域。因此，可以避免通过产生的废料污染波导3的内腔7。仅为演示依据本发明的装置的变形方案多样性，在图3中给激光器-光学系统-模块1前置了不同数量的加长模块11。原则上以如下方式实施该装置，即，给所有激光器-光学系统-模块1前置也可以是零的相同数量的相同加长模块11，以产生相同的射束光斑。为了使装置可以以尽可能少的调整费用匹配另外的工件，在底板12中设置有螺纹孔 13的模板，经由该模板可以将不同数量的加长模块11和激光器-光学系统-模块1安装在不同的预先规定的位置上。为了快速定位加长模块11，在底板12上可以固定止挡板条，可以将加长模块11紧贴到这些止挡板条上。附图标记列表1激光器-光学系统-模块1. 1激光束轴线2 环线2.1环线的中点3 波导3. 1柱体轴线4 凹座5 下部5.1 底面6 上部6. 1 顶面7 内腔8射束入口9适配器10 套管11加长模块12 底板13螺纹孔15覆盖罩16 侧面17接触面
权利要求
1.利用激光束对工件进行同步外周加工的装置，具有多个由二极管激光器和前置的射束成形光学系统所组成的激光器-光学系统-模块(1)，所述激光器-光学系统-模块彼此以相同的间距布置在环线⑵上并径向朝所述环线⑵的中点(2. 1)分别发射处在一个共同的波束平面中的激光束，从而使激光束的激光束轴线(1. 1)在所述中点(2. 1)相交，其特征在于，在所述环线O)的内部以如下方式布置有直柱体形状的波导(3)，S卩，使所述波导的柱体轴线(3. 1)垂直于波束平面直立地穿过所述环线O)的所述中点(2. 1)延伸，围绕所述柱体轴线(3. 1)构造有用于容纳待加工工件的凹座G)，所述波导(3)由下部(5)和上部(6)组成，所述下部和所述上部共同形成围着波束平面的、通过所述凹座敞开的、 具有反射激光束的底面(5. 1)和反射激光束的顶面(6. 1)的内腔(7)，所述内腔朝所述激光器-光学系统-模块(1)去，在所述波导(3)的外周上分别具有射束入口(8)，并且所述激光器-光学系统-模块(1)以如下方式设计，即，使激光束在所述底面(5. 1)与所述顶面(6. 1)之间多重来回地反射，而激光束在波束平面内部在激光束传播方面不受影响地击中所容纳的工件，因此，每个激光器-光学系统-模块(1)在工件上形成具有均勻能量分布的射束光斑，在所述柱体轴线(3. 1)方向上射束光斑高度通过所述底面(5. 1)距所述顶面 (6. 1)的间距来确定，并且射束光斑宽度通过在波束平面中和在所述激光器-光学系统-模块(1)与工件表面的间距中激光束的发散角来确定。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，适配器(9)插入到所述凹座中，所述适配器以自由内部区域匹配工件外周，因此，所述装置能够匹配不同的工件尺寸和工件形状。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凹座(4)完全穿过所述上部(6)和所述下部(5)，从而能够将工件在所述柱体轴线(3. 1)方向上引导穿过所述装置。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述适配器(9)包括对于激光束而言透明的套管(10)，所述套管界定了所述自由内部区域，因此，避免了所述内腔(7)的污染。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底面(5.1)与所述顶面(6. 1)的间距在所述内腔(7)上从所述波导C3)的外周朝所述凹座(4)去地变小，因此，能够改善射束光斑的质量。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，存在奇数个激光器-光学系统-模块(1)， 因此，避免了所述激光器-光学系统-模块(1)的对面照射。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器-光学系统-模块(1)与所述射束入口(8)之间布置有加长模块(11)，所述加长模块以如下方式构造，即，所述加长模块分别在所述激光束轴线(1. 1)方向上加长了所述内腔(7)，因此，能够根据工件尺寸优化调整射束光斑宽度。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导的底面为多角形，带有与围绕所述波导⑶布置的激光器-光学系统-模块⑴相等的边数。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述波导(3)、所述加长模块(11)和所述激光器-光学系统-模块(1)安装在一个共同的底板(12)上。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，在所述底板(1 中设置有多个螺纹孔 (13)，用于有选择地安装不同数量的加长模块(11)进而有选择地安装所述激光器-光学系统-模块⑴与所述波导⑶的不同间距。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述内腔(7)中设置有红外线传感器， 以便测量所述凹座⑷中的温度。
全文摘要
利用激光束对工件进行同步外周加工的装置，该装置由大量围绕波导(3)布置的激光器-光学系统-模块(1)组成，激光器-光学系统-模块分别径向朝波导(3)的中点发射激光束，在该中点处工件可以布置在为之设置的凹座(4)中。波导(3)具有直柱体形状并由共同围出内腔(7)的下部(5)和上部(6)所组成，激光束穿过该内腔到达工件。激光器-光学系统-模块(1)以如下方式设计，即，使射出的激光束通过激光束在内腔(7)的底面(5.1)和顶面(6.1)上的反射，在其能量分布上在射束截面上受均匀化，并且激光束在工件周面上形成具有预先规定的射束光斑高度和射束光斑宽度的射束光斑。
文档编号B23K26/073GK102441734SQ201110307000
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者安德烈亚斯·青特尔, 扬·朗格巴赫, 维尔纳·沃尔曼, 马丁·格里贝尔 申请人:詹诺普蒂克自动化技术有限公司